1、 第一张 机器人走进千家万户(1)比尔盖茨设想一下:在一个新的产业诞生之际, 你目睹见证了这一切! 这个产业是在前所未有的新技术基础上发展起来的, 其中包括一些实力雄厚企业销售的高度专业化商务设备, 还有越来越多的新兴公司生产的新奇玩具、为玩具藏家青睐的机巧装置, 以及其他一些奇特有趣的特殊产品。但同时, 这还是一个缺乏行业标准和平台的、尚不成规模的产业。项目复杂, 进步缓慢, 实际应用更是少之有少。事实上, 尽管对这个产业的未来充满热情和希望,但是没有人能明确地说出什么时间- 或究竟是否有可能-它能取得关键性的规模发展。但是,若真能实现发展, 那么,它很可能改变整个世界。当然, 上述描述可算
2、是上世纪 70 年代中期计算机产业的写照, 也就在那时, 保罗艾伦和我成立了微软公司。当时,部分大企业、政府部门和其他一些机构都在使用笨重、昂贵的主计算机进行后台运算。知名大学和大型工业实验室的研究人员正试图建造出最基本的构件, 以使信息化时代的到来成为可能。当时因特尔公司刚刚推出他们的 8080 微处理器,安他利公司正在销售一款流行电子游戏 Pong 。而在一些自发组成的计算机俱乐部里,热忠于此的人们急切地努力探索这种新技术带来的好处究竟是什么。但当时我脑海中所萦绕的则是更具前瞻性的问题:机器人产业即将作为一项新兴的产业而崛起,其当时的发展同 30 年前计算机的发展如出一辙。想想看, 目前汽
3、车组装线上使用的制造型机器人已替代了昔日的主计算机。这个产业其他的典型产品包括可进行外科手术的机器手, 在伊拉克和阿富汗用于路边及地面排雷的侦察机器人, 以及可以进行地板吸尘的家用机器人。电子产品公司还推出了可模仿人类、或是狗、恐龙等的机器人玩具, 而玩具收藏者们正迫不及待地想要猎取一套乐高公司生产的最新机器人系列玩具。与此同时, 世界尖端科技人员正试图解决机器人技术中最棘手的难题, 诸如视觉识别、远程操控、以及学习型机器等问题, 而且他们正在不断获得成功。在 2004 年美国国防部进步科技项目大挑战赛上(DARPA) ,产生了第一辆能够在美国加利福尼亚西南的莫哈韦沙漠 142 英里的崎岖赛道
4、上自主操控行驶的机器人车, 尽管获胜者制造的车辆在只行驶了 7. 4 英里后就坏掉了。但到了 2005 年, 有五辆车都走完了全程, 而获胜者的车辆行驶平均速度达到了每小时 19. 1 英里。另外, 机器人技术如今面临的挑战和三十年前我们处理的计算问题有些相似。拥有机器人技术的公司目前还有一个可以在不同的设备上运行的标准运算软件。机器人处理器和其他一些硬件设施的标准化水平是有限的, 一台机器使用的程序代码几乎不太可能在另一台机器上使用。假使有人要设计一个新的机器人, 一般来说他就必须完全从头开始。尽管有如此多的难题, 但当我和机器人技术领域的人士谈话时- 无论是大学的研究人员还是企业家, 从业
5、余爱好者到中学生-他们的兴奋与期待总是让我回想起当年保罗艾伦和我看着新科技的融合并憧憬着计算机摆在千家万户的桌面上的那一天的兴奋劲头。如今, 当我看到新的技术正在相互结合的趋势时, 我便能预见到未来机器人设备将会成为我们日常生活中无处不在的一部分。我相信,诸如分布式计算、声音和视觉识别、以及无线宽带连接等等技术将为自动控制设备的升级换代打开一扇门,让计算机在实际世界中为我们服务。我们也许现在就站在一个新时代的门槛上,个人计算机将从桌面上走下来, 让我们到我们的身体去不了的地方去观看和倾听、去触摸和操控各种物体。从科幻小说到现实“Robot“(机器人) 一词是 1912 年由捷克剧作家卡雷尔恰佩
6、克首先提出的,但是人类幻想制造出机器人则已有几千年了。在希腊和罗马神话里, 金属制造之神就用金子制造出了机器仆人。在公元一世纪, 亚历山大的荷龙-据称是发明第一台蒸汽机的伟大的工程师-就曾设计了令人着迷的自动机, 据说其中包括一个能说话的机器人。而列奥纳多达芬奇在 1495 年画了一个机器骑士的素描 , 他能坐起来, 并会活动胳膊和腿,它被认为是第一个具有人的特点的机器人计划。 在上个世纪, 神人同形的机器人经由一些书籍的传播,如艾萨克阿西莫夫的我,机器人, 电影星球大战和电视片星际旅行记等,而成为流行文化的热门形象。小说中机器人的流行意味着人们愿意相信总有一天这些机器会成为我们的助手、甚至是
7、伙伴。然而,尽管机器人在工业中扮演着重要的角色,例如,在诸如汽车制造等行业中-大约每 10 个工人就拥有一个机器人-但事实上, 要将科幻小说中描绘的机器人变成现实,我们还有很长的路要走。 造成这个差距的一个原因就是, 要让计算机和机器人感知它们周围的环境并做出迅速和准确的反应远不象我们想像的那么简单。使机器人具备我们人类想当然的简单能力也被证明是极其困难的-例如, 在一个房间里避让物件的能力, 对声音做出反应并对言语作出解读的能力, 抓取不同大小、质地、易碎程度的物品的能力等等, 甚至是区分一扇开着的门和窗户这样一类简单的动作对一个机器人来说都有可能是非常困难的。 尽管如此, 研究人员已开始寻
8、找解决的方法。能够帮助他们的一个途径就是实现不断进步的大型计算能力。一个兆赫的处理能力在 1970 年需要花费 7 , 000 美元,而现在无需花多少钱就可以买到。兆位存储器的价位也同样在下跌。廉价的计算能力使得科学家们能攻克很多将机器人实用化的基本技术难题。今天, 声音识别程序能轻松地识别单词, 但是更大的挑战在于建造一个能理解这些单词在上下文语境中含义的机器。随着计算能力的进一步扩大提升,机器人设计者们将会具备解决更大难题的处理能力。机器人开发的另一个障碍就是硬件的价钱太过昂贵。例如, 使机器人判断距离的传感器以及用一定的力道和准确度操控物品的电动机和随动系统都价格不菲。但是这些部件的价格
9、下跌得很快。在机器人技术中用来精确测量距离的激光测距仪几年前还需花费 10 , 000 美元, 而今天只需 2 , 000 美元就可以买到了。而且, 基于超宽带雷达技术的更为精确的新型传感器价格也比以前要低多了。如今机器人制造者们还可以以合理的花费给机器人安装全球定位系统芯片、摄像机、数组传声器(能比传统的传声器在背景杂音中更好地分辨声音) ,以及一组附加传感器, 由此而制造出能力更强、处理能力和储存能力更大的现代机器人, 他们可以从事房间吸尘、帮助排除路边炸弹-这是仅仅几年前为商务用途生产的机器所不可能完成的任务。第二章 基因改造食物安全吗？基因改造作物是环保美梦的实现，还是一场正在形成中的
10、灾难？科学家正积极寻找答案。人们对基因改造食物的态度，似乎愈来愈壁垒分明，一边的人支持，另一边的人则是畏惧。支持者宣称，种植基因改造作物对环境伤害较小，而食用这种农作物制成的食品也完全无害。它们还说，基因工程让农作物在贫瘠的土地上也能生长，或可培育出更营养的食物。在不久的未来，全球人口快速膨胀，还得靠这方法解决粮食问题。持怀疑态度者则反驳，基因改造作物对生态环境或人体健康都有极大的风险，令人忧心，不该贸然接受。许多欧洲国家抱持这种态度，因而限制基因改造作物的种植与输入。主要的争议，集中在基因改造食物的安全性。然而，最近的科学研究又是如何看待基因改造食物的危险呢？答案，往往迷失在各种报导的争议中
11、；但是在接下来的篇幅里，它们将呈现在你的眼前。土壤中的毒药可以少些？根据估计，美国农夫每一年要喷洒 44 万公吨的农药，主要是对付昆虫、杂草以及真菌。但是农药残留在农作物上或附近土壤中，然后渗入地下水，流入河川，最后进了野生生物的腹中。这一化学药剂的涓涓之流，早就令环保人士忧虑了。农产公司自 1990 年代中开始宣传基改种子，向农友保证可降低有毒农药的用量。如今大部分基改作物都含有抗害虫或耐除草剂的基因，以大豆、玉米、棉花及油菜为主。植入抗虫基因的作物会自行制造杀虫剂，因此可望减少化学药剂的喷洒。耐除草剂的基改作物可耐受广效性除草剂，农人就可以摒弃针对特定杂草且毒性更强的化学药剂。农人总是希望
12、尽量少用比较危险的农药，不过基改作物之所以吸引人，是因为劳作手续简化了（降低施用农药的频率及复杂程度） ，甚至可使产量增加。但是所谓的“对环境有好处”却不易证实。事实上，还没有任何一篇经过同行专家审查的报告，讨论过那些好处，因为植物不同、地点不同，结果必定随之而变。不过还是有些资讯可供参考，根据美国农业部统计，耐除草剂的作物不见得会降低农药的喷洒量，不过农人将使用比较温和的混合药剂。例如，农人要是种植了耐除草剂的大豆，就会避免使用最毒的杀草剂，而改用毒性弱、分解快的苷磷除草剂。作物植入抗虫基因，也产生了优劣参半的后果。目前，抗虫害的特性是取自土壤中杆菌苏力菌（Bacillus thuringi
13、ensis，下文简称 Bt）的一个基因。这个基因会促使细胞制造一种晶体状蛋白质，对某些昆虫来说是毒药，尤其是啃食作物的毛毛虫和甲虫，却不会伤害其他生物。不同的苏力菌菌株，各有不同的毒基因，影响的昆虫也不同，所以种籽生产商可以针对特定的作物，选用最适合的抗虫基因。由于消费者的疑虑如排山倒海般而来，科学家正加速研究 Bt 和其他基改作物对环境的影响。他们想要知道的有：Bt 作物如何影响“非目标”生物，例如无害的甲虫、鸟儿、蠕虫以及其他恰巧路过的生物？基因改造作物是否会授粉给周遭的植物，使抗虫基因流入野地，创造出不受控制的超级野草？以基因工程技术植入的抗虫与耐除草剂能力万一失效，使基改作物突然变得异
14、常脆弱，这种机率又有多大？野外生物要付出什么代价？1998 年瑞士的一份研究报告激起了广泛的疑虑，大家担心 Bt 作物可能会在无意中伤害运气不好的生物。研究是在实验室中进行的，科学家以玉米螟幼虫喂食蚜狮幼虫，发现吃 Bt 玉米长大的玉米螟会使蚜狮死亡，而普通玉米则否。一年之后，美国康乃尔大学的昆虫学者洛西等人提出报告，他们以沾有 Bt 玉米花粉粒的马利筋叶喂食大桦斑蝶幼虫，结果那些幼虫都死了。疑惧之火再度燃起。“这是压垮骆驼的那根稻草。 ”康乃尔另一位昆虫学者皮门特尔说。一时之间，所有的目光都集中在那些大口嚼食基改作物叶片、小口品尝基改花粉的生物，或在基改作物下的土壤中蠕动的生物它们是维持植物
15、族群恒定的重要角色。2000 年 8 月，另一个关于大桦斑蝶的研究，也发出了警讯。然而，实验室可不比农田，许多科学家怀疑这些先期实验有何用处。他们指出，昆虫在实验室里摄取的 Bt 毒素，远超过它们在外面的真实世界所摄取的量。因此研究人员亲下田野，到栽种基因改造作物的玉米田里测量花粉中的毒素，估计有多少毒素会飘落到马利筋之类的植物上，最后还需确定蛾、蝶幼虫的毒素接触量。大部分调查已经在 2000 年的生长季里完成，随后会向环保署提出报告。我们会创造超级杂草吗？担心基因从基改植物流入其他植物，是围绕着基改作物的另一类忧虑。不知情的昆虫，或者来得不是时候的一阵风，都可能将基改作物的花粉带到它们的野草
16、亲戚身上，使之受精。一旦如此，获得新基因的植物可能挣脱原有的生态阶层，变成“超级野草” ，不惧原本的天敌或农药。科学家已经不再怀疑这样的基因流通是否可能发生。康乃尔大学的生态学者包尔说：“很多案例显示，基因流通终将发生。现在的问题则是：基因流通的后果是什么？”到目前为止，还没有科学研究发现基改作物导致超级野草的出现。2001 年 2 月自然杂志上有篇报告指出，在一个长达十年的研究里，英格兰栽种的基改马铃薯、甜菜、玉米或油菜，都没发现像野草那样能使近亲种受精的情形。然而令人忧心的耳语已经出现，尤其是加拿大农人，他们说基改油菜已经溜出农田，如野草般侵入小麦田。这种油菜也可以抵抗农药。设立收容所最后
17、，不管基改作物种在什么地方，永远有个风险尾随，那就是演化。定期喷洒的农药，只要时间一久，害虫和杂草都会产生抗药性。在生技时代，这势必一样会发生：最后，昆虫可以不为所动，津津有味嚼着基改抗虫植物；耐除草剂作物周围的杂草，也会对农人选用的除草剂视若无物。 “农业，是农作物保护之道与病虫害两者间的演化军备竞赛。 ”爱荷华州立大学的植物学者温德尔评论道， “而基改作物只是我们想要战胜虫害的另一种尝试！即使只是短暂的。 ”为使除草剂能有效对付杂草，孟山都等公司要求农人以负责任的态度使用农药，只在必要时才喷洒。为了延缓昆虫对 Bt 毒素产生抗药性，环保署规定，种植 Bt 作物的人必须挪出部分农地种植传统作
18、物。举例来说，这些“收容所”可以种在 Bt 作物栽植区外的某个角落，也可以种成一排，把 Bt 作物一分为二。在收容所里，已经具备一点抗 Bt 毒性的昆虫与没有抵抗力的个体交配繁殖，就会稀释抗毒能力。根据孟山都的说法，Bt 作物的商业栽植已经五年了，还没有发现能抗 Bt 毒性的昆虫。这家公司声称，种植 Bt 玉米和棉花的农人，约有 90%遵守规定设立收容所。第三章 应对恐怖主义的技术在防止未来的“9.11“事件式攻击或更恶劣的攻击的竞赛中，华盛顿以前苏联发射人造地球卫星以来所未有的规模对美国的科学机构做了安排。自 2003 年以来，联邦政府对国土防卫研究的投资猛增到近 40 亿美元，而这只不过是
19、安全总开支的沧海一粟。更重要的是，加快的开支把以前截然不同的科学项目结合了起来：软件工程师、流行病学家和生物学家合作开发保护空气与食物不遭受生物恐怖手段破坏的技术。核物理学家核生物法医专家如今与行为科学最好的智囊人物合作，设计减少核走私与自杀式炸弹威胁的方法。然而有些专家认为，这么大的开支实际上只能提供一种安全上的错觉。 超脱恐惧：明智地考虑变幻莫测世界的安全问题的作者布鲁斯施奈尔说：“这当中有许多都是作表面文章的保安技术，目的是让你感到安全。“他指出，高技术防护措施大量涌入了从白宫到各地市政厅等标志性建筑内，他声称这就会将恐怖分子的注意力引向地铁与体育场等“较软性“目标。但政府似乎已经抓住了
20、核心问题，它不断扩大的国土保安措施不仅包括了大目标，而且也包括了国家广大易受攻击的区域。下面是 5 个风险最高的领域以及今后几年会出现的一些保卫它们的技术。空气、水、食品这个领域里最大的难题之一是研制一系列传感器，它们能觉察出对从田地里的庄稼到公共场所的空调系统等各样事物所发动的攻击。环保局和疾病控制预防中心及联邦调查局协作，在美国 30 个城市部署了一个微型毒素检测器的网络，作为叫做“生物警卫“的 3 亿美元项目的一部分。它的各个过虑器收集空气中的毒物，而后这些毒物被送到实验室去分析。劳伦斯利弗莫尔国家实验室的科学家用他们的病原体自动检测系统(APDS)进一步贯彻了这种意图。1995 年东京
21、地铁沙林毒气袭击事件导致了该系统的研发，它不需要研究人员每天收集样本，也不需要等待示值读数，就能鉴别出化学品与生物毒素。该系统被接到商场、火车站或其他集会场所的通风系统上，不用人操作一周内就能收集 178种不同的空气样品，并将它的检测结果用无线电波传送到中心实验室。该系统已经在纽约市进行了实验，到 2008 年可首次出现在其他城市地区。边境、基础设施自 2004 年以来，首都华盛顿应用的一种可核对监视名单信息的光扫描器已记录下了约 6000 万访美人员两个食指的指印。花费了 15 亿美元研制成的“访美“生物统计学程序已识别出 1100 名企图以假借口入境的人及 2 万多背景有疑问的想要入境者。
22、随着护照签证申请人的档案急剧增加，对十指全部进行扫描将使身份验证更加万无一失。扫描系统还可以利用巩膜扫描和声纹。同时，在 100 个港口和边防站，一种有科学应用国际公司设计、名叫“车货检查系统“(VACIS)的车载扫描器给海关检查员提供了一种工具，使他们不用打开卡车与集装箱就能探查内部的真相。VACIS 采用了甚至能穿透铅衬里箱子的低能 -射线，射线在 6 秒钟这么短的时间内就能显示有明显颗粒的图像。如果检查人员发现货物和运货清单上写的不一致，则集装箱就会被转到另一处做进一步检查。现在正在开发之中的还有微米大小的传感器名叫“智能灰尘“或“尘埃“。该传感器可撒在管线、无设防的边境和公用设施的周围
23、，用以监测生物浮质、化学物质或放射物的入侵或释放。依靠传感器仪表的技术进展，这些用电池作能源的计算机形成了一个电子眼、电子耳和电子鼻的网络它们可用低宽带频率相互通讯，并可将各种示数发送到中心服务器。专家说，该传感器可能准备到 2010 年在全国各地铺开，不过这还要视投资情况而定。交通运输地铁、公共汽车、火车和飞机以及为它们服务的中枢很容易受到浮尘携带的病原体、核弹放射物和汽车炸弹等的威胁。桑迪亚国际实验室加州分室研制的技术，将各传感器用无线电波或通过光纤连接到一个鞋盒大小、名叫“智能传感模“(ISM)的装置上。和别处一个指挥站连接的一个场所的 ISM 网络，能给该场所管理人员或安全部门发出一个
24、存在着某一威胁的早期警告，让他们及时采取行动。该系统自2004 年起已经在 30 个场所使用，其中包括体育场、地铁、和机场。随着探测系统技术的提高，在核工厂、化学工厂和关键的运输中心可能安装未来型的 ISM。为了拦截未来的炸弹，所谓“噗噗吹气的机器“目前正在 26 个机场值班，它们能判断出你是否在过去一周里接近过炸弹的嫌疑。这种价值 15 万美元的从两端都可进入的机器像个造型优美的户外小屋，它在你的衣服上面迅速吹过一股气流，从衣服上吹下微量炸弹粒子，然后再将空气收集起来送到一个能鉴别 8 种氮基炸药的检测器上这一切只需几秒钟。新墨西哥州桑迪亚实验室的高级工程师凯文林克尔说：“我们在奥运会标准游
25、泳池大小的空间里能发现相对于 1 毫克阿司匹林的可疑物。“现已在研制一台 11 磅重、名叫“微型猎犬“的改进型机器。为了拦截自杀式炸弹，研究人员已经制出了一种装置的样机，以探测 30 英尺外的炸药痕量。公共场所尽管办公楼和公共场所现在一般都用视频监视与碰撞护栏，但是地方建筑规范和重新在公共场所安装的高成本却减慢了防恐活动的进展。“如果你设计的每幢楼都能防止袭击的威胁，我们就再也负担不起建筑费了，“前议员、重建世贸中心选拔设计队伍的评选小组成员理查德斯威特承认说。然而，今天的建筑技术看来已经远远超过“911“事件以前的日子了。斯威特指出，重建世贸大厦的规划中包括防爆窗与防爆建筑材料、传感系统、确
26、保上层的营救人员能与地面同伴通讯的无线电转发器、使建筑物与被污染区域自动隔离的“智能系统“等等。至于必须进入受灾现场的营救人员，他们很可能会获得高技术防护装备，包括救生衫。这种像背心的上装可监测 30 个生理体征，采用 GPS 技术跟踪营救人员的活动，并将所有的实时数据源源不断地送到指挥中心，那里可同时跟踪几十台一流的应答机。因特网对国家的金融网和电力或电信网进行的网络攻击，可使我们保护有形资产的其他手段变得无实际意义。为了应对这种攻击，在华盛顿州里奇兰德的太平洋西北国家实验室(PNNL)的计算机科学家们已研制出了一个叫“莫扎特“的程序，它能测出网站上的未来间谍和入侵者。该软件现在被能源部使用
27、，利用可钻入网站的搜索工具发现与登记可能损害国家安全的敏感信息。开发人员说它是“Google 式“的工具，预计到年末它就能用于一些军事和政府机构。议事日程上的下个待议事项是叫做“内部安全计算“的东西从根本上说，它是帮助计算机“受到攻击时知道与采取措施自卫“的一个总体规划，PNNL 的网络安全技术总管布赖恩麦克米兰解释说。广泛地实施这项规划至少还得 10 年。这种种超视距的构想及其数十亿美元的开支绝不等同于 100的保护。约翰斯霍普金斯大学应用物理实验室的工程师克里斯拉蒂默告诫说：“技术的最大实践收益是改进人类实践的结果。“简单的真理是，譬如说，如果巩膜扫描失败或智能传感器装聋作哑，即使再多的硬
28、件也不能代替保卫我们所需的那种智慧的人类决策。第四章 目标一加仑汽油行驶 100 英里的竞赛在过去的几十年中，“明日之车“的梦想非但没有实现，原本要解决的问题反而变得更加严峻了。一加仑汽油的平均价格升至二十世纪八十年代初以来的最高点。中东地区政局更加动荡。原本持怀疑态度的气候专家也开始承认我们不断排入大气的碳可能会造成灾难性后果。面对各种情况，汽车制造厂的回应是造出了一加仑汽油可以行驶 21 英里的汽车。比福特的 T 型车还少 4 英里。一些小型公司正在开发新型发动机技术和先进的汽车设计，以保证汽车一加仑汽油行驶 100 英里。想法无奇不有，从简单的减少重量改善空气动力学性能到不可思议的试图借
29、鉴喷气式飞机的发动机技术。这一竞赛将更为激烈， 。因为几个月以后 X 大奖基金将宣布进行一项生产一加仑汽油行驶 100 英里并成功销售一定数量汽车的竞赛， （这一销售量数字暂未确定） 。X 大奖基金曾经设立过 1000 万美元的奖金用以推动太空旅游业的发展，当时竞赛内容是制造出可重复使用的私人飞行器。虽然奖金数额暂未公开确定，但 X 大奖基金工作人员透露奖金金额在 2500 万美元左右才能给人以一定的刺激。他们希望大奖赛能够促使人们彻底重新思考汽车的外观和工作方式。X 汽车大奖基金执行董事马克古德斯坦说：“我们需要改变思维模式，需要改变人们对汽车的看法。“汽车业内人士认为下面三种技术可以消除提
30、高汽车燃油效率的障碍-也是赢得 X 大奖的保证。更小，更好，更便宜迄今为止实现超高行驶里程最显而易见的办法是大大降低重量和风阻。在学生的工程学竞赛中，可以看到这样的办法，呈现泪珠状的两轮微型车辆实现一加仑汽油行驶数百英里，但这些原型都过于昂贵。现在的目标是制造一种轻便并高度符合空气动力学要求的汽车，除了质量稳定和抗碰撞外，最重要的是批量生产不至于过于昂贵。史蒂夫法姆伯可能已经找到解决方案。他的实验室位于加利福尼亚的卡尔斯班，在那里他设计了 Aptera，外型呈子弹状（空气阻力降到最低） ，三个轮子，可容纳两个人，重量只有 850 磅（丰田的普锐斯重达 2890 磅） 。通过使用碳合金框架减少大
31、部分重量，还可以满足大赛中抗碰撞的要求。一些风险投资家注意到法姆伯的公司 Accelerated Composites，法姆伯本人希望能在两年内将 Aptera 投向市场。“我所有的努力都是着眼于规模生产。“通过使用新型合成构造技术，包括低廉的模具和自动制造工艺，法姆伯说他可以将每辆车的成本控制在 20，000 美元以下。而且如果同时使用燃烧柴油的混合动力发动机，Aptera 可以打破一加仑行驶 300 英里的记录。不使用电池的混合动力混合动力发动机曾经成功地大大提高了车辆的里程记录。例如普锐斯，通过保存例如刹车过程中失去的热能，将其存储在电池中以备循环使用，可以将里程记录提高到行业平均水平的
32、两倍，但是现在最高效的混合动力发动机也只能保存 30%的能量供再次使用。环境保护局高级技术部甚至提出完全放弃笨重的电池这样的激进办法。EPA 已经制造出一种改良的混合动力系统，不使用电池而使用一个液压系统来存储刹车时的能量。当你踩下刹车时，车轮会联动一个压缩氮气的泵，氮气低廉而且性能稳定。当你再次加速时，压缩气体将泵体反弹来驱动车辆。这个月计划在 UPS 的两辆卡车上试验液压混合动力系统，预计至少可以将 70%的刹车能量返回到车轮，这样汽油经济性可以提高 60-70%并且能减少排放 40%。如此的骄人成绩让高级技术部经理，也是液压混合动力的开发人员之一的查尔斯格雷都难以抑制心中的兴奋。“这将是
33、汽车制造史上最伟大的革命，比发明装配生产线还要伟大的革命。“虽然这一切还要以观后效，但是液压混合动力毕竟比传统的混合动力系统更轻便更低廉。“我双手完全可以拿得动一个五百马力的液压发动机，我也不是个大块头。“格雷说。由于发动机仅仅增压液压系统然后由液压系统驱动车轮和其他部件，不必使用变速器。所以可以在几乎不增加成本的情况下安装在小型车辆中。虽然福特、美国军方以及其他一些单位也在研究这项技术，到现在为止只有 UPS 承诺自己的车辆上使车，因为他们的车辆必须频繁地走走停停。飞机发动机的启发另一个 100mpg 竞争的潜在选手是 Star Rotor，源于德克萨斯农工大学研究的一种空调。化学工程教授马
34、克霍茨厄普和他的同事安德鲁拉布洛克原本要为空调制造一种更好的空调压缩机，突然灵机一动将想法发展为 Star Rotor 发动机的基本构造。一旦联想到汽车发动机，“我们很快就根本忘了空调。“拉布洛克说。他们还成立了公司（也叫 Star Rotor） ，准备将技术商业化。Star Rotor 运用和飞机发动机相同的热动力过程，来重复使用通常在废气排放中浪费的热量，这对于使用活塞的发动机是无法办到的。在汽油注入发动机前，废气的热量加热进入发动机的空气。热空气使燃烧效率更高，也就意味着耗费相同汽尚未的情况下 Star Rotor 比传统发动机产生更多能量。根据压缩机模型数据，拉布洛克相信不管发动机运行
35、速度多快或者马力多大，Star Rotor 都能够将燃烧化学能的 45-65%转化为机械能。而一般的汽油发动机在全速行驶中最高效率也不过 30%，在日常行驶条件下工作效率会更低。“翻倍是小意思，“拉布洛克在提到 Star Rotor 的潜力时说。“我想我们最终可以实现三倍的里程。“不管是翻倍还是三倍，最重要的是创新家们找到我们对付石油困境的办法-这样的办法比第一辆氢驱动的车辆带来的影响会更加深远。第五章 丝网印刷丝网印刷技术是一项专门适用于在平面或相对平的表面进行印刷的技术。丝网印刷工艺的关键是，将细密的丝网紧紧绷在坚固的框架上，而丝网上不需印刷的区域则被遮盖起来。在印刷时，将用框架固定好的丝
36、网和一些浓油墨放在承印物的上方，然后用橡胶磙子挤压油墨使其通过丝网。丝网上被遮盖的部分阻挡油墨通过，而没有被遮盖部分允许油墨在的材料上留下印迹。最后一道工序是，将印好的承印物放到传送带上经过一条热隧道进行烘干。烘干工艺可以保证油墨快干，这样印好的东西就能够垛起或打包装箱。被恰当烘干的油墨即使在恶劣的环境下也不会从印刷物上脱落。 如果在最终的设计中需要印刷多种颜色，就要利用不同的丝网重复上述过程。因此，一个需要四种不同颜色的设计就需要四个丝网。丝网通常安装在一个旋转的印刷机上，以便调整印刷不同的颜色。有些丝网印刷机是全自动的，除了调整机器、装上和取出承印物外不需要任何人工劳作。 遮盖丝网的方法多
37、种多样，最直接的方法就是把遮盖液涂在丝网上。这种方法只适用于简单的一到两种颜色图案的印刷，而用于更加复杂图案时印刷效果不好。要印刷多种颜色的图案，印刷者通常使用感光剂来遮盖非印刷区域。首先，把图案印在一张透明的塑料薄片上，同时将感光剂涂满整个丝网表面并将其晾干。然后将塑料薄片放在准备好的丝网上，将它们暴露在强光下。一段时间后，可以用水冲掉曝光区域上的感光剂，这样可以用于印刷的丝网就准备好了。 丝网印刷技术最常用于 T 恤衫、外套和其他纺织品的印刷，它也可以用于从塑料到金属的各种材料的印刷。虽然能够掌握一些细小、复杂的印刷细节，但丝网印刷最理想地应用于粗体文字和图案的印刷。 当在深色的物品上进行
38、丝网印刷时，需要先印底色，确保图案的颜色鲜亮。在需要印色的任何地方，都需要先上底色（通常为白色） ，然后将底色快速烘干，再在底色上印上其他颜色。快速烘干使印刷工艺多了一道工序，但确保印在深色甚至是黑色材料上图案的颜色也是光彩鲜亮的。 丝网、蓝色感光剂和辊子是单色丝网印刷装置的基本部件。在这种情况下，丝网被紧紧地绷在木质的框架上，蓝色的感光剂涂在丝网表面并烘干，起着遮盖的作用，辊子只不过就是固定在木质手柄上的一条硬橡胶。开始进行丝网印刷时，操作人员将丝网直接固定在需要印刷的承印物上，接着在未被遮盖的表面直接涂抹油墨，用辊子挤压油墨使其透到下层。操作人员不断地挤压辊子并在丝网表面滑动，确保油墨渗透
39、到所有未被遮盖的区域。如果需要更多的颜色，就用更多的丝网来重复这个过程。完成印刷后，将丝网拿掉，印刷品就可以准备烘干了。 丝网印刷术可以在从织物到木制品的各种材料上进行印刷。由于它成本低，操作简单，只要操作的好就可以印出高质量的图案来，所以许多印刷厂都采用这种工艺。手工作坊和艺术家都选择丝网印刷术来完成他们的作品，而它相对简单易学。那些想要学习制作高质量丝网印刷品的人们可以考虑通过上课来学习丝网印刷术的基础知识。丝网就是紧紧绷在框架上的一张细密的网。虽然现在的丝网是由聚酯纤维做的，但在 20 世纪中期以前丝网一直是用丝制的。采用各种各样的技术在丝网上做一个设计的底版，然后将油墨滚入或浸入丝网，
40、最后印到物品上。大多数印刷厂使用橡胶磙子或者类似的工具轻轻地将油墨压到承印物上，然后去掉丝网，把它挂起来凉干。 大多数的人在用丝网印刷时使用感光丝网，这种丝网涂了一层紫外线感光剂。艺术家们将设计图案的模板放在丝网上，然后曝光、冲洗丝网。曝光的区域变硬，形成难以渗透的层，被感光剂遮盖的部分冲洗后，可以允许油墨通过。 还可以采用其他一些技术制造丝网，例如用纸制或者塑料模板，甚至还可以画在胶或树脂上。作为基本原则，为了制作更多的图案，丝网必须可以重复使用。印刷结束后，可以把丝网收起来下一轮使用，或者把它冲洗干净，再用于新的设计。大多数人在丝网印刷时仍然会采用框架来固定丝网的位置。 采用不同的丝网，可
41、以印出彩色的图案。CMYK 色彩工艺可以用来印制非常复杂的色彩图案，首先印最浅的颜色，最后印最深的颜色。因为丝网印刷有趣、操作容易，只要经过培训，就可以印出高质量的图案来，许多艺术家对丝网印刷都情有独衷。丝网印刷所需的设备相对较少，除了制作丝网用的感光剂比较贵以外，其余设备的价格是相当低的。第七章我们每日都身处各种材料的包围之中。我们吃的是各种材料，穿的是各种材料；我们用各种材料建造房屋和生产工具，满足工作生活需要，使生活更加舒适。自然给人类提供了大量的天然材料。然而，随着人类需求日益增多，迫切需要用于生活、建筑、电子、化工、医药等方面的新型材料。新材料主要有以下四类：两类属于无机物（金属和陶
42、瓷） ，第三类是有机物（有机聚合体） ，第四类是生物材料。有时，他们以下列方式出现-1+1、 1+1+1、甚至1+1+1+1。科研人员和技术人员面临的主要任务，便是如何将此四类材料配合使用，通过各种搭配组合形式，从中获益，以补充自然所未给我们提供的材料。从史前出现简单的生产活动开始，人类便一直在使用天然材料。人们最初使用木材、石头、动物组织甚至人体组织作为工具时，并没有刻意地去加工改造它们，而只是使用其原始状态。为满足现代生活需求，现代人和未来的人类将越来越需要人造的新材料。在医学、化学、生物化学和生物学基础研究的基础上，通过十分复杂精密的科学研究活动，人们便能创造出新型的、合成的、或半合成的
43、材料。然而，如何使用这些新型材料，迫切需要人们进行应用性研究和开发。开发新型材料是一个新的科研趋势。然而，在过去，这种开发研究往往只是出于兴趣，研究人员偶然意外地发现些具有特殊性能的新型材料，如今这种情况已发生根本性改变。现在，大多数情况下，材料学方面的科研小组都需完成一个明确规定的科研目标，即必须创造出具有某种特定性能的新型材料。人们现在需要这种按要求定制的材料。这一发展转变完全得益于人们对材料宏观结构、微观结构、纳米结构，质地特点的深入了解和研究材料的非破坏性方法的使用。无论是从技术层面还是从经济层面，材料腐蚀现象都是一个重要问题。由于材料会腐蚀、疲劳、老化，需要我们创造出更耐久的材料。材
44、料腐蚀、变质、老化的原理纷繁复杂、各不相同，这不仅仅是由于材料本身不同（金属、无机物、有机物、聚合体等） 。防腐蚀添加剂或防腐蚀措施可以延长材料使用寿命，并减少经济损失。人类的宇宙探索活动亟需抗空间辐射和强辐射条件下耐高温的新材料。因此，在宇宙实验中，科学家会实验、测试新材料的性能。新金属合金、新合成陶瓷和复合材料是这类科研开发的重点。此外，失重条件可以帮助人们研发在地球上无法研究的全新材料。例如，在宇宙飞船和人造卫星实验室进行的结晶化研究，最终帮助人们研究出一些结构完美的材料，例如沸石，一种可运用于很多领域（如催化方面）的无机物。新的技术思路和观点需要精确设计的多孔材料。各种形状的孔形物在很
45、多与传质分离过程相关的技术中都十分重要。多孔金属、聚合体膜、特定异类催化剂和催化剂载体的多孔结构，即是该领域的典型例子。即使是用来做电导体的最好材料也带有很大的电阻。在研究了各种材料之后显示我们可以开发出电阻极小的超电导体，但是只具有极低的温度，接近于开氏温标的绝对零度。研究者们所面临的挑战是要使这种超电导性维持在高温或极高温状态下。对于无机材料定性的新物理和化学方法正大大促进着这一研究的发展。对于电子科学和材料科学来说一大难题是用可塑性强的非金属材料（塑料）制造出新的电导体。在电子工程领域，研究出能进一步提升信息技术和计算机技术（更高的存储容量和更快的信息传输速度）的材料是一大挑战。而各种材
46、料的再循环利用似乎是我们所面临的最重要的难题。地球上的原料资源十分有限，而把太空中的原料资源运输到地球上来无论是从经济上还是从技术上来说都是不可行的，至少在最近的将来是行不通的。目前，再循环原理和技术总是和新材料的发展密切相关。再循环不仅能解决废料积存的问题，而且能带来能源上的利益，更不用说能解决必须要解决的贵金属（如铂、钯、铑）的再循环问题。采用了纳米技术的材料能提供高度有机材料，它们具有极强的自我修复能力。用这种方法制造的超分子结构引起了电子工程学领域以及电子元件、计算机元件和非金属电导体材料领域的高度兴趣。多元复合材料甚至简单复合材料（结合了特殊的机械、电子和化学特质的有机材料和无机材料
47、） 、多层结构和柱状结构都是这一巨大而多用途的复合材料的典型例子。特殊的涂层和分层处理技术能把塑料、陶瓷和金属材料的特质有机结合在一起（而不仅仅是几种不同特质的简单相加） 。医学方面的合成材料是另外一个领域的新材料。药物是化合物，不是材料。然而，一些药物被应用在许多复杂的系统之中，因此我们应该把它们看作复杂材料。药品因要施用于人体的各个部位而需要添加带有特殊效能的聚合材料，这些材料应具有明确的可溶性，能在各种介质中膨胀并具有极好的转移特性。让我们把目光从药品转向更典型的医学材料：这些人工合成材料能代替天然（人体）组织。金属、陶瓷和有机聚合物都能代替受损的踝骨、骨骼和牙齿，其他材料能用在外科手术
48、中作为加固移植物等等。人造血液是一种结构极其复杂的材料，必须符合错综复杂的参数和特性。思考如何运用这些技术和全新的方法去研发生活中需要的新材料是十分必要的，例如研发具有自我再生、自我恢复和自我检测性能的智能化材料。而为具有自我检测性能的材料研发全新的纳米传感器和纳米隔室是研发这些智能化新材料的主要组成部分。第八章 房屋建造机南加州大学的一个阳光充足的实验室内，机器人控制的喷嘴把一条混凝土挤到厚木板上。每 2 分 14 秒，喷嘴完成一个轮回，把一条新的混凝土铺在前一条混凝土的顶部。一扇 5 英尺长的墙就这样竖立起来-这是一扇没有人工干预建造起来的墙。这墙虽然简陋但影响重大。一位工程学教授贝罗赫霍
49、什内维斯看到灰色混合料整齐有序地从他称作 contour crafter 的机器-一台约 8 英尺高、6 英尺宽的机器-中喷射出来时说：“如果你能建造一扇墙，你就能建造一幢房屋。“如果一切按计划进行，霍什内维斯将在今年晚些时候利用更大、更先进版本的这种机器在仅仅一天内就建造起第一幢由机器人建造的房屋。霍什内维斯认为他的 contour crafter 将使房屋建筑革命化，把建筑业引入数字时代。现今，尽管出现了技术工具，如动力锯、机械化起重机和气力敲钉机，但是建筑业基本上还是同已存在了 2 万年的那种又脏又累的工作一样。工人们仍然不得不切割、紧抓、上举、摆放、钉牢各种材料，这就是劳工费用约占建筑费用一半的原因。建筑过程既危险、缓慢、又造成浪费：每年有 40 万以上的美国建筑工人受伤，一幢美国人的典型住房至少需要 6 个月才能建成，同时约产生 4 吨垃圾废料。霍什内维斯，54 岁，1974 年从伊朗移居过来，他有多种发明，持有从光学到机器人学各领域的多项专利。1994 年加利福尼亚州诺思里奇地震后，他在自己的起居室内用镘刀在墙的裂缝上涂抹灰泥时，就拿定主意一定要有一种更好的抹灰方法。他说：“他想镘刀这一使用了许多年的非常简单的工具确实能够创造出美好
